徐朋 ，曾啟帆 ，向東 ，孟光偉，江瀟

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基于compactRIO三相PWM整流控制器的設(shè)計(jì)

徐朋1，曾啟帆1，向東1，孟光偉1，江瀟2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2. 92724部隊(duì)，山東青島266109）

使用NI公司的LabVIEW2012和cRIO9081軟、硬件平臺(tái)成功搭建一套三相兩電平PWM整流控制器?？刂破鞑捎秒妷骸㈦娏麟p閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和空間矢量調(diào)制算法，其核心算法全部在compactRIO的FPGA中完成，具實(shí)時(shí)性高，運(yùn)算并行，時(shí)序穩(wěn)定等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性與有效性。

compactRIO FPGA PWM整流 雙閉環(huán)控制

0 引言

三相電壓型PWM整流能實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)、輸入功率因數(shù)為1、低輸入電流諧波含量、輸出電壓可控[1]。它還可以有效地抑制電網(wǎng)諧波和進(jìn)行電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)整流的不足。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種PWM整流的控制方法。其中電壓電流雙閉環(huán)控制、直接功率控制和基于現(xiàn)代控制理論的新策略等由于效果較理想，成為研究的熱點(diǎn)[2]。直接動(dòng)率控制開關(guān)頻率不固定，對(duì)算法要求高，實(shí)現(xiàn)難度大。電壓電流雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制算法比較成熟，被大多設(shè)計(jì)者采用。PWM調(diào)制策略的研究中，SVPWM電壓利用率高，諧波畸變率小，取代了SPWM成為最受歡迎的調(diào)制策略[3]。

國(guó)內(nèi)的整流控制器一般由微處理器（MCU和DSP）或?qū)Ｓ每刂菩酒ˋSIC）承擔(dān)。然而，DSP本身存在固有的缺陷，其串行時(shí)序的運(yùn)算方式在高速環(huán)境下很容易出現(xiàn)時(shí)序問題，導(dǎo)致程序失控；此外，微處理器中不確定的中斷響應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致PWM脈沖的相位抖動(dòng)[4]。現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）并行運(yùn)算能力強(qiáng)大，能同時(shí)輸出多路信號(hào)，真正做到同步輸出。而且，F(xiàn)PGA的編程語(yǔ)言是硬件描述語(yǔ)言，十分便于實(shí)時(shí)控制。但是FPGA內(nèi)部資源有限，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法則需要外接其他芯片。compactRIO內(nèi)部是典型的FPGA+通用CPU的結(jié)構(gòu)，程序可靈活地規(guī)劃到FPGA或CPU中。compactRIO通過(guò)LabVIEW的軟件平臺(tái)開發(fā)，借助LabVIEW強(qiáng)大的虛擬界面，能在線進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)和參數(shù)修改。

1 主電路拓?fù)浜涂刂破鹘Y(jié)構(gòu)

1.1主電路拓?fù)?/p>

1.2 控制結(jié)構(gòu)

本文采用的是電壓電流雙閉環(huán)PI控制，根據(jù)文獻(xiàn)［5］的方法，本文的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

NI公司的CompactRIO是可重復(fù)配置的控制與采集系統(tǒng)，采用開放式嵌入式體系結(jié)構(gòu)，配置小尺寸、高堅(jiān)固性和可熱插拔工業(yè)I/O模塊，與傳統(tǒng)的總線系統(tǒng)相比，具有體積緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

本設(shè)計(jì)采用的CompactRIO控制器由CPU模塊cRIO-9081、模擬量輸入模塊NI9220、高速數(shù)字I/O模塊NI9041等組成。cRIO-9081模塊包括1.06 GHz雙核CPU，主頻40 MHz的LX75可重置FPGA和實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)LabVIEW。I/O模塊NI9220，NI9041等由FPGA直接控制。硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)的核心算法全部在CompactRIO上的FPGA內(nèi)完成，波形監(jiān)測(cè)與分析程序在CompactRIO上的實(shí)時(shí)CPU上完成。FPGA與CPU之間通過(guò)高速度總線PCI Bus傳遞數(shù)據(jù)，而開發(fā)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與CompactRIO聯(lián)接，完成程序開發(fā)和實(shí)時(shí)參數(shù)修改及顯示。

NI9220是16通道16位模擬輸入模塊，電壓、電流信號(hào)通過(guò)此模塊采集，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳遞給CompactRIO。它的最大采樣頻率可達(dá)100 kS/s（周期10 μs），可以快速無(wú)差地采集系統(tǒng)的電流和電壓，精度可達(dá)微秒級(jí)別。NI9041是8通道的高速雙向數(shù)字I/O模塊，控制器中產(chǎn)生的六路PWM調(diào)制信號(hào)通過(guò)此模塊經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后輸出給IGBT整流橋。

2.2軟件設(shè)計(jì)

與基于事件觸發(fā)的C語(yǔ)言等編程語(yǔ)言不同，LabVIEW采用的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，這與FPGA的并行運(yùn)算特性能很好的兼容。根據(jù)LabVIEW設(shè)計(jì)特點(diǎn)，程序被分為三個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)為程序的一個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、主控制模塊、PWM處理和輸出模塊。不同循環(huán)間通過(guò)局部變量傳遞數(shù)據(jù)。

1）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)NI9220采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，校正放大倍數(shù)，設(shè)置采樣頻率。本數(shù)據(jù)采集循環(huán)的周期設(shè)置為50 μs，即信號(hào)采樣頻率為20 kS/s。

2）主控制模塊

此模塊為軟件程序的核心，電壓、電流信號(hào)被輸送給主控制模塊后，進(jìn)行坐標(biāo)系變換，PI雙閉環(huán)控制和SVPWM計(jì)算，最后輸出SVPWM的三相調(diào)制波。主控制模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3）PWM處理和輸出模塊

此模塊將SVPWM調(diào)制波與周期固定的載波比較轉(zhuǎn)變成PWM脈沖，再經(jīng)過(guò)毛刺處理和死區(qū)處理，得到六路PWM脈沖信號(hào)并送給NI9041。PWM處理和輸出模塊采用定時(shí)循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)頻率固定為FPGA的主頻—40 MHz，保證了輸出PWM波形的精度和時(shí)序。

2.3 FPGA程序的優(yōu)化

LabVIEW FPGA程序設(shè)計(jì)是基于循環(huán)結(jié)構(gòu)的。一般來(lái)說(shuō)，循環(huán)周期越短，有利于提高程序的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；循環(huán)周期越穩(wěn)定，又有利于保證程序間嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。

為了保證控制的精確性，主控制模塊的循環(huán)周期應(yīng)小于PWM載波周期的一半。當(dāng)控制程序運(yùn)行時(shí)間超過(guò)循環(huán)周期時(shí)，必須進(jìn)行程序設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1）讓循環(huán)內(nèi)部的一些代碼嵌套在單周期定時(shí)循環(huán)（SCTL）中，并使此循環(huán)只運(yùn)行一次，目的并不是使程序循環(huán)，而是強(qiáng)制限定編譯器讓程序必須在一個(gè)很短的定時(shí)周期內(nèi)完成[8]。

2）如果程序無(wú)法在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)完成，可把程序用反饋節(jié)點(diǎn)分成幾份，反饋節(jié)點(diǎn)作用類似寄存器，程序相當(dāng)于被流水線化，多線程同步運(yùn)行。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的開關(guān)頻率固定為10 kHz，需保證其載波頻率固定。載波生成模塊被放在PWM處理和輸出模塊所在的定時(shí)循環(huán)中，用計(jì)數(shù)程序生成。此定時(shí)循環(huán)頻率為40 MHz，所以誤差在25 ns之內(nèi)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證上述方案的可行性和有效性，本文分別搭建了仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。表1給出了該三相電壓型PWM整流器的參數(shù)。

圖5(a)為在matlab/simulink仿真環(huán)境下的交流側(cè)A相電源電壓E和電流波形I。

圖5(b)為直流側(cè)電壓U的波形。為了便于觀測(cè)，matlab仿真中的電流在數(shù)值上都放大了10倍。從仿真結(jié)果可以看出，EI功率因數(shù)基本為1，U經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到指定值。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的整流橋型號(hào)為TOSHIBA公司的MG180V2YS40，實(shí)驗(yàn)的電流波形由LT208-S7傳感器采集，電壓波形由LV28-P傳感器采集。死區(qū)時(shí)間設(shè)置為5 μs。

圖6為實(shí)驗(yàn)中的電壓電流波形，右圖為U由不控整流到PWM整流的動(dòng)態(tài)變化，可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，證明了方案的可行性和正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以compactRIO控制器為核心，提出了一種三相PWM整流器的實(shí)現(xiàn)方案，整流器的控制算法全部都在FPGA中實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了優(yōu)化，使控制器的執(zhí)行速度有很大的提升。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性，為PWM整流器的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的思路。

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Design of Three-phase Two-level PWM Rectifier Controller Based on CompactRIO

Xu Peng1, Zeng Qifan1, Xiang Dong1, Meng Guangwei1, Jiang Xiao2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. No.92724 Unit of PLA, Qingdao 266109, Shandong, China)

TM461

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1003-4862（2015）01-0009-04

2014-07-08

徐朋(1984-)，男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。